Никто не хочет проверять на практике, может ли упасть многоэтажный дом. Однако такие сомнения иногда возникают, особенно, глядя на 100-метровые и выше небоскрёбы. Кажется, что некоторые строения держатся вертикально «на честном слове», и даже слабое дуновение ветра способно их опрокинуть.
Однако небоскребы стоят, вмещают в себя тысячи людей и неисчислимое множество предметов. Через некоторые ежедневно проходят толпы туристов. Объяснение одно – архитектурный гений, подкрепленный научным подходом к проектированию высотных зданий и умноженный на опыт поколений строителей.
Почему дома не падают
Устойчивость дома определяется его проектом. Главные технологические составляющие – это фундамент и каркас.
Фундамент
Фундамент для небоскреба требует тщательного проектирования. Говорят, что высотки «растут из-под» земли. Это так, поскольку чем глубже фундамент, тем устойчивее будет строение.
На глубину фундамента влияет главным образом характер грунта. Рыхлый, неустойчивый требует большей глубины. Иногда бывает так, что здание заглубляется в землю примерно на треть своей фактической высоты.
Значительная глубина важна и по другой причине. Сваи достигают слоев грунта, которые зимой не промерзают. Если бы они находились в промораживаемом слое, замерзшая земля выталкивала бы сваи вверх, нарушая целостность всей конструкции. А поскольку мороз не добирается до глубоких слоев, такое не происходит.
Для строительства высотных зданий применяется свайная или свайно-плитная технология фундамента. Свайно-плитная используется именно там, где грунты неустойчивы. Поверх вбитых в землю свай устанавливается прочная бетонная плита.
Во-первых, она позволяет увеличить нагрузку на фундамент, построить более высокое и прочное здание. Во-вторых, плита намертво скрепляет сваи, надежно фиксируя их в одном положении. Если вдруг внутри грунта произойдет какое-то движение пород, одна или несколько свай не сместятся или не наклонятся.
Каркас
Первое, из чего строили высотные дома, – это множество тяжелых стальных профилей, сваренных в единый каркас. Технология достаточно надежная, хотя и трудоемкая. По ней, в числе прочих, были сооружены Empire State Building, The Trump Building.
Во второй половине ХХ века от каркасной технологии решили отказаться. Во-первых, строительство небоскребов развивалось, и оказалось, что с помощью профилей соорудить здание выше 300 метров крайне проблематично. Во-вторых, неоднократно было подтверждено, что при пожаре стальной профиль плавится, а это грозит обрушением всего здания.
В 60-х годах была изобретена технология «трубы». Вместо изготовленного из профиля каркаса использовались сваренные из множества балок квадратные трубы, скрепленные между собой и образующие одно общее квадратное основание. По этой технологии возводились Willis Tower в Чикаго и World Trade Center в Нью-Йорке.
Однако уже через 20 лет выяснились минусы «трубы». Эта технология очень прочная и дает возможность строить здания любой высоты. Однако по мере увеличения количества этажей растет площадь основания строения. Стало ясно, что занимать очень большой участок земли под постройку такого небоскреба нерационально.
Примерно в это же время, в 80-х годах, появилась более совершенная технология – «ядро». Сегодня она используется повсеместно, и большинство самых известных в мире новейших высоток построены именно с использованием поддерживаемого ядра.
Ядро – это прочная железобетонная колонна. Дополнительную прочность ей придают треугольные опоры. Они напоминают стабилизаторы ракеты и надежно удерживают конструкцию на месте. Внутрь ядра, как правило, помещаются инженерные коммуникации, иногда – лифты. Вокруг него достраиваются площадь, которая будет использоваться человеком. Диаметр этой полезной площади постепенно сужается, и в самом верху здания формирует шпиль.
«Ядро» использовалось при строительстве Burj Khalifa, Шанхайской башни и самого высокого здания в Европе – Лахта-центра в Санкт-Петербурге. Отказываться от этой технологии пока никто не собирается, и большинство проектов высотных зданий основываются на ее использовании.
Почему многоэтажные дома не падают: современные приемы архитекторов
Часто люди беспокоятся, может ли упасть многоэтажный дом от ветра. В этом опасении есть крупица истины, ведь ветер – главный враг небоскребов. Вернее, не сам он, а колебания, которые вызывает.
Просто так взять и сдуть небоскреб ветер, даже самый сильный, не может. Такие случаи еще ни разу не были зафиксированы в мире. Однако колебания со временем могут привести к незначительным повреждениям здания, которые постепенно будут усиливаться, провоцируя его постепенное разрушение. Чтобы этого избежать, архитекторы вносят в конструкцию специальные элементы, которые гасят колебания.
В современной технологии строительства небоскребов для ослабления разрушительного действия ветра чаще всего применяются:
«Ветрорезы»
Ярким образцом такого здания является Burj Khalifa. Очень отдаленно она похожа на ассиметричную ступенчатую пирамиду. Ее острые выступающие части, подобно волнорезам в море, рассекают потоки ветра. В результате тот не бьет в башню сплошным порывом, а огибает ее меньшими потоками.
Принцип ступенчатой пирамиды имеет еще одно полезное свойство. В местах с нестабильным грунтом, или в регионах с неблагоприятной сейсмологической обстановкой такой архитектурный прием позволяет значительно снизить нагрузку на верхние этажи строения.
Демпферы
Под этим термином подразумевается сложная система гашения колебаний, в основе которой лежит использование простого маятника. В каждом небоскребе своя собственная система демпферов.
Например, в «Тайбей 101» она представлена огромным маятником, являющимся частью архитектурного ансамбля. Он имеет сферическую форму, весит 660 тонн и считается своеобразной достопримечательностью. На это устройство, размещенное между 91 и 88 этажами, ежедневно приходят посмотреть туристы.
В Шанхайской башне система демпферов еще более продуманная. Под маятниками находится медная пластина с магнитами. Когда небоскреб отклоняется от прямой оси, специальный груз, установленный на пластине, приходит в движение. В результате вырабатывается ток, возникает магнитное поле, воздействующее на маятники и усиливающее их демпферный эффект.
Современные высокие дома не падают отчасти и по этой причине – из-за наличия демпферов.
Аутригеры
Аутригеры впервые появились в Азии, где высокая сейсмическая активность. Они представляют собой прочные горизонтальные конструкции, идущие от ядра небоскреба до его внешних колонн.
Эта система помогает добиться сразу двух целей. Во-первых, конструкция здания становится более устойчивой. Если, например, в нее попадет самолет (как это случилось 11 сентября 2001 года), небоскреб не обрушится – аутригеры удержать другие этажи на месте.
Во-вторых, горизонтальные балки значительно снижают колебания. В результате даже очень сильный ветер в здании не ощущается. В сочетании с демпферной системой это делает небоскреб почти полностью неуязвимым перед силами природы.